Karanlık madde şimdiye kadar onu bulmak için tasarlanmış her türlü dedektöre meydan okudu. Uzaydaki büyük yerçekimi ayak izi nedeniyle, karanlık maddenin evrenin toplam kütlesinin yaklaşık yüzde 85’ini oluşturması gerektiğini biliyoruz, ancak bunun neden yapıldığını henüz bilmiyoruz.
Karanlık maddeyi avlayan birkaç büyük deney, içine koyulan karanlık madde parçacıklarının işaretlerini araştırmıştır. atom çekirdeği saçılma olarak bilinen ve bu etkileşimlerde küçük ışık flaşları ve diğer sinyaller üretebilen bir işlemle.
Enerji Bakanlığı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) ve UC Berkeley’deki araştırmacılar tarafından yürütülen yeni bir çalışma, enerjileri bu çekirdekler tarafından emilen karanlık madde parçacıklarının sinyallerini yakalamak için yeni yollar önermektedir.
Emilim işlemi, etkilenen bir atoma, elektron gibi daha hafif, enerjik bir parçacığı çıkarmasına neden olan bir vuruş verebilir ve ‘nun yapısına bağlı olarak diğer sinyal türlerini de üretebilir. karanlık madde parçacığı .
Çalışma çoğunlukla karanlık madde parçacığı bir atom çekirdeğine çarptığında elektron veya nötrino’nun atıldığı vakalara odaklanmaktadır.
4 Mayıs’ta Fiziksel İnceleme Mektupları , çalışma, karanlık madde parçacıklarını ve nötrinolarla ilgili süreçleri (çoğu maddeden geçebilen ve farklı formlara dönüşme yeteneğine sahip olan hayalet, saptanabilir parçacıklar) araştıranlar da dahil olmak üzere bazı mevcut deneylerin, emilim ile ilgili bu tür karanlık madde sinyalleri.
Ayrıca, araştırmacılar daha önce toplanan parçacık dedektörü verilerindeki yeni aramaların bu gözden kaçan karanlık madde sinyallerini artırabileceğini öne sürüyor.
“Bu alanda, WIMP gibi karanlık madde için iyi motive olmuş adaylar hakkında aklımızda belirli bir fikir vardı” veya çalışmanın baş yazarı Jeff Dror, Berkeley Laboratuarı Teori Grubu ve UC Berkeley’in Berkeley Teorik Fizik Merkezi’nde doktora sonrası araştırmacı.
Karanlık madde, parçacık fiziğinin Standart Modelinde yer alan bilinen temel fizik yasalarının sınırlarını zorluyor ve “WIMP paradigmasının Standart Modelde oluşturulması çok kolay, ancak “Dror kaydetti.
Fizikçiler şimdi karanlık madde parçacıklarının saklanabileceği başka yerleri ve fermiyonlar olarak bilinen parçacıklar ailesine getirilebilen teorize edilmiş “steril nötrinolar” gibi diğer parçacık olasılıklarını da düşünüyorlar – elektronlar, protonlar, ve nötrino.
Dror,
“WIMP paradigmasında yapılan küçük değişikliklerle, tamamen farklı bir sinyal türünü barındırmak kolaydır.” Dedi. “Karanlık maddeyi düşünme şeklimize biraz geri adım atarsanız çok az maliyetle çok büyük bir ilerleme kaydedebilirsiniz.”
UC Berkeley lisansüstü öğrencisi Robert McGehee ve Washington Üniversitesi’nden Gilly Elor ortak yazarlardı.
Araştırmacılar, odaklandıkları yeni sinyallerin aralığının karanlık madde parçacık olasılıklarının bir “okyanusunu” açtığını belirtiyorlar: yani WIMP’ler için düşünülen tipik aralıktan daha hafif kütlelere sahip henüz keşfedilmemiş fermiyonlar. Örneğin steril nötrinoların yakın kuzenleri olabilirler.
Çalışma ekibi, dedektör materyalindeki çekirdeklerin geri teptiği veya karanlık madde parçacıkları ile çarpışmasıyla sallanan ve dedektör tarafından alınabilecek farklı enerji imzaları üreten “nötr akım” olarak bilinen emilim süreçlerini değerlendirdi; ve ayrıca karanlık madde parçacığı olarak birden fazla sinyal üretebilen “yüklü akım” olarak bilinenler çekirdeğe çarparak geri tepmeye ve elektronun fırlamasına neden olur.
Yük akımı süreci ayrıca, diğer partiküllerin bir çekirdekten karanlık madde emilimi tarafından tetiklenen bir tür domino etkisi olarak atıldığı nükleer bozulmayı da içerebilir.
Araştırmacının, hem nötr akım hem de yük akımı süreçlerine ilişkin önerilen imzalarını araştırmak, “keşfedilmemiş parametre alanı büyüklüğünün emirlerini” açabilir. Milyonlarca elektron volt anlamına gelen MeV’deki enerji sinyallerine odaklanırlar. Bir elektron volt, fizikçilerin parçacık kütlelerini tanımlamak için kullandıkları enerjinin bir ölçüsüdür. Bu arada, tipik WIMP aramaları artık keV aralığındaki enerjiler veya binlerce elektron volt ile parçacık etkileşimlerine karşı hassastır.
Dror,
Araştırmacılar, araştırmada araştırdığı çeşitli parçacık etkileşimleri için, “Parçacığın çıkan enerji spektrumunun veya” tekme alan nükleonun ne olduğunu tahmin edebilirsiniz “dedi. Nükleon, bir atom çekirdeğinde bulunan ve bir karanlık madde parçacığı çarptığında enerjiyi emebilen pozitif yüklü proton veya yüksüz nötronu ifade eder. Bu soğurma sinyalleri, muhtemelen karanlık madde dedektörlerinin tipik olarak bulmak için tasarlandığı diğer sinyal türlerinden daha yaygın olabilir, diye ekledi – henüz bilmiyoruz.
Dror,
Yüksek hassasiyet ve çok düşük arka plan “gürültüsü” veya diğer partikül sinyali türlerinden istenmeyen parazit içeren büyük hacimli dedektör malzemesine sahip deneyler, farklı türde karanlık madde sinyalleri için bu genişletilmiş arama için özellikle uygundur. .
LUX-ZEPLIN (LZ), örneğin, eski bir Güney Dakota madeninde yapım aşamasında olan ultra hassas Berkeley Lab liderliğindeki karanlık madde arama projesi, dedektörü olarak yaklaşık 10 metrik ton sıvı xenon kullanacağı için olası bir adaydır. ve diğer partikül gürültüsü türlerinden yoğun bir şekilde korunacak şekilde tasarlanmıştır.
Zaten, araştırmaya katılan araştırmacılar ekibi, açmak için sıvı ksenon kullanarak nötrino içermeyen çift beta bozunması olarak bilinen teorize bir süreci arayan bir yeraltı deneyi olan Zenginleştirilmiş Xenon Gözlemevi’ni (EXO) işleten ekiple çalıştı. bu diğer karanlık madde sinyallerini araştırması.
Ve çalışan ve devam eden benzer deneyler için, “Veriler zaten orada oturuyor. Bu sadece bir bakmak meselesi,” dedi Dror.
Araştırmacılar, CUORE, LZ öncülü LUX, PandaX-II, XENON1T, KamLAND-Zen dahil olmak üzere, hedef sinyallerini bulmak için kullanılabilecek ilgili veri ve arama yeteneklerine sahip olabilecek dünya çapında aday deneylerinin bir çamaşır listesini adlandırıyorlar. , SuperKamiokande, CDMS-II, DarkSide-50 ve Borexino arasında.
Bir sonraki adım olarak, araştırma ekibi mevcut verileri analiz etmek ve aktif deneylerin arama parametrelerinin diğer sinyalleri arayacak şekilde ayarlanıp ayarlanamayacağını öğrenmek için deney işbirlikleri ile çalışmayı umuyor.
“Bence toplum bunun farkında olmaya başlıyor,” diyen Dror, “Alandaki en büyük sorulardan biri karanlık madde Nelerden yapıldığını bilmiyoruz, ancak bu soruları cevaplamak benim için, bu itmeye devam etmek için büyük bir motivasyon – orada yeni fizik var. ”